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现有盲道分割算法是通过提取颜色或纹理特征,采用聚类等方法来进行分割,易受盲道类型和外部环境影响。针对此问题,从盲道整体特征进行考虑,引入学习的方式,提出了一种基于显著性检测和改进投影字典对学习的盲道分割方法。该方法首先利用显著性检测,对盲道区域进行粗定位;然后以图像块作为处理单元,通过所提出的稳健字典对学习算法进行字典学习;接着将粗定位后的图像分块在该字典上进行稀疏重构;最后按照重构误差进行分类,以达到分割的目的。实验结果显示,在盲道分割中,该算法相对于现有算法,无论是准确性,还是普适性都表现更好。
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激光与光电子学进展
,
(
)
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中国激光
»
杂志社
基于显著性检测和改进投影字典对的盲道分割
王
民
,
肖
磊
,
杨
放
西安建筑科技大学信息与控制工程学院
,
陕西 西安
摘要
现有盲道分割算法是通过提取颜色或纹理特征
,
采用聚类等方法来进行分割
,
易受盲道类型和外部环境影响
.
针对此问题
,
从盲道整体特征进行考虑
,
引入学习的方式
,
提出了一种基于显著性检测和改进投影字典对学习的盲道
分割方法
.
该方法首先利用显著性检测
,
对盲道区域进行粗定位
;
然后以图像块作为处理单元
,
通过所提出的稳健字
典对学习算法进行字典学习
;
接着将粗定位后的图像分块在该字典上进行稀疏重构
;
最后按照重构误差进行分类
,
以
达到分割的目的
.
实验结果显示
,
在盲道分割中
,
该算法相对于现有算法
,
无论是准确性
,
还是普适性都表现更好
.
关键词
图像处理
;
图像分析
;
盲道分割
;
稳健字典对学习
;
图像块
中图分类 号
文献标识 码
doi
:
.
/
LOP.
BlindRoadSe
g
mentationBasedonSalienc
y
Detection
andIm
p
rovedPro
j
ectiveDictionar
y
Pair
Wan
g
Min XiaoLei Yan
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Fan
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f
In
f
ormationandControlEn
g
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g
Xi
anUniversit
y
o
f
ArchitectureandTechnolo
gy
Xi
an Shaanxi
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
:
;
收到修改 稿日期
:
基金项 目
:
住房和城乡建设部科学技术项目计划
(
)、
陕西省教育厅专项基金
(
)、
陕西 省 科学技 术
研究发展计划项目
(
(
))、
陕西省自然科学基金青年基金
(
)
作者简介
:
王
民
(
—),
男
,
本科
,
教授
,
硕士生导师
,
主要从事智能信息处理方面的研究
.
:
通信联系 人
.
:
引
言
盲道分割用于从复杂场景图像中对盲道进行精确提取
,
是导盲设备的关键技术之一
,
同时也在图像分割
领域具有重要应用
.
当前解决盲道分割问题最常用的传感器是单目视觉
,
分割方 法可 分为 基于 颜色 和纹 理
两类
.
以阈值分割和区域生长等为代表的基于颜色的分割方法
[
]
具有效率高的优势
,
能较好地解决标准盲
道的分割
,
但该方法对颜色和光照敏感
,
无法适用于盲道与背景区域颜色相 近的 情况
.
同样 地
,
通过 提取 纹
,
(
)
激光与光电子学进展
理特征再进行聚类的基于纹理的分割方法
[
]
在面对城市中类型众多的盲道时
,
也显得普适性不足
.
近年来
,
随着稀疏表示理论的逐步完善
,
它已经被 成功 地应 用到 了涉 及信 号处 理的 多个 领域
[
]
.
应用
稀疏表示进行图像处理的主要思想是利用图像的全局特性
,
来克服现有分割算法将盲道单个特征或其组合
作为识别依据的可行性及有效性差的缺陷
,
其关键在于过完备字典的构建
,
为此国内外学者提出了多种字典
构造方法
.
如
等
[
]
提出一种基于稀疏表示分类器
(
)
的人脸识别算法
,
该算法的字典直接由已知
类别的训练样本集组成
.
后来为了充分利用图像的特征信息
,
使构建的字典更具判别性
,
又引入了学习的概
念
.
文献
[
]
提出一种基于
框架 学习 得到 的字 典
,
相比
得到 的字 典更 加紧 凑
,
并获 得了更 好
的识别效果
.
文献
[
]
提出 兼 具判别和重构能力的判别式
均 值 奇 异 值 分 解
(
)
字 典 学 习 算 法
.
文献
[
]
将标签常量引入
均值奇异值分解
(
)
算法中
,
通过增加编码误差约束提高字典 的判 别分 类
能力
.
文献
[
]
提出一种基于
准则 的判 别字 典学 习算 法
,
加强 对重 构系 数的 约束
,
使重 构系数 也 具
有判别性
.
以上方法都能使字典性能获得不同程度的提升
,
但是在算法效率上却区别不大
,
因为当前稀疏表
示优化问题广泛通过求解
l
/
l
范数的最小值来解决
,
计算耗时严重
.
为此
,
文献
[
]
给出了一种新的字典
学习算法
———
投影字典对学习
(
)
算法
,
该算法引入了分析字典
,
稀疏重构系数可以通过分析字典与 样
本相乘快速得到
,
大大减少了算法的运行时间
,
但却易受外界噪声影响
.
受到上述研究的启示
,
本文对
算法 进行 了改 进
,
将训 练样 本经 过稳 健主 成 分分析
(
)
后的低
秩图像用于字典学习
,
经过
分解得到的低秩图像不受外界噪声影响
,
严格 遵循 低秩 结构
.
在此基 础
上
,
提出了一种基于显著性检测与稳健投影字典对学习
(
)
的盲道分割算法
,
该算法首先对源图像进行
显著性分析
,
得到粗定位的盲道区域
,
然后以图像小片作为处理单元
,
通过求解粗定 位后 图像 的每 个局 部图
像小片在改进投影字典上的稀疏编码
,
根据重构误差最小原则判断该小片是否属于盲道部分
.
该算 法旨 在
提高盲道分割的普适性和抗噪声能力
.
相关工作
21
显著性检测
显著性检测的任务是找到场景中最重要和信息量最大的部分
,
在图像分割和 目标 识别 等领 域有 着重 要
的应用
.
显著性检测依据对图像的先验假设不同可以分为多种类别
,
而近年来的相 关研 究结 果表 明基 于图
论的检测方法表现较好
.
等
[
]
同时考虑前景和背景线索
,
提出 了一 种基 于图 论流 形排 序
(
)
的
显著性检测算法
.
本文将采用
算法对测试图像进行盲道粗分割
.
算法构造显著性图分为以下两个阶段
:
)
利用图像的边界节点作为标记节点
,
按照其他节 点与 标记 节点 的相 关性 进行 排序
,
分别 形成
个边
界的显著性图
,
然后将这
幅图合成第一阶段的显著性图
.
)
将第一阶段的显著性图作为新的标记数据并再次进行排序
,
获得最终的显著性图
.
22
字典对学习模型
传统判别式字典学习算法的目的是学到能对
K
类训练样本
X
=
X
,,
X
k
,,
X
K
[ ]
R
p
×
nK
(
所有训
练样本均为
p
维向量
,
n
表 示 每 一 类 样 本 的 数 量
)
进 行 稀 疏 重 构 的 综 合 字典
D
=
D
,,
D
k
,,
D
K
[ ]
R
p
×
mK
(
m
表示每一类字典中的原子数
).
此时为了获得稀 疏系 数矩 阵
A
,
通常 需要 在稀 疏编 码过 程中 进行
非常耗时的求解
l
/
l
范数运算
.
假设能够找到一部分析字典
P
=
P
,,
P
k
,,
P
K
[ ]
R
mK
×
p
,
使得矩阵
A
=
PX
,
这样就能快速地对样本
X
完成稀疏表示
.
等
[
]
依据这个想法提出了如下所示的字典对学习算
法模型
,
同时学习综合字典
D
和分析字典
P
表示为
P
,
X
{ }
=
P
,
D
K
k
=
X
k
-
D
k
P
k
X
k
F
+
λ
P
k
X
k
F
,
d
i
, (
)
式中
X
k
是
X
k
的补集
,
表示整个训练样本集
X
中除第
k
类样本
X
k
外剩余的所有样本
,
F
和
分
别为矩阵的
F
范数和
范数
,
f
(
x
)
表示当
f
(
x
)
取最 小值 时
x
的取 值
,
λ
(
)
是一 个标 量常 数
,
d
i
代表综合字典
D
中第
i
个元素
.
对于
D
k
,
能够根据投影系数矩阵
P
k
X
k
较好地对第
k
类样本
X
k
进行重构
,
即字典对应该使重构误差最
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